스털링 엔진

왜 배우는가: 스털링 엔진은 외부 열원으로 작동하는 외연기관이면서 재생기를 갖춰 이론 효율이 카르노 효율과 같아질 수 있는 열기관이다. 연소 폭발이 없어 떨림과 소음이 낮고 열원을 가리지 않으므로, 가스 에너지와 폐열, 태양열을 함께 다루는 기초 개념이다. 열역학 사이클과 열효율 계산의 출발점이 되므로 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제120회 1교시 8번, 제89회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

스털링 엔진은 밀폐된 작동가스를 외부 열원으로 가열·냉각하여 체적 변화로 동력을 얻는 밀폐 사이클 외연기관이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 이어서 아래 키워드를 함께 적는다. 각 키워드는 원리 설명과 구성요소 설명에서 그대로 다시 쓰이므로 뜻을 정확히 구분해 두어야 한다.

• 외연기관: 연료를 기관 내부에서 태우지 않고 외부 열원에서 받은 열로 작동하는 기관이다.
• 밀폐 사이클: 작동가스가 기관 밖으로 배출되지 않고 같은 공간에서 반복 순환하는 구조이다.
• 재생기: 고온부와 저온부 사이를 오가는 작동가스의 열을 임시로 저장했다가 되돌려 주는 장치이다.
• 변위기: 작동가스를 고온부와 저온부 사이로 옮기는 부품이며 디스플레이서라고도 부른다.
• 작동가스: 공기, 수소, 헬륨 등 기체 상태로 밀봉되어 순환하는 작동 유체이다.
• 카르노 효율: 두 열원의 절대온도만으로 정해지는 이론 열효율의 상한이다.

2. 개념 풀이

스털링 엔진은 1816년 로버트 스털링이 발명한 열기관이다. 정식 정의로 보면, 밀봉된 작동가스를 외부 열원과 냉각원 사이에서 가열·냉각하여 그 체적 변화로 피스톤을 움직이는 외연기관이다. 이 점에서 실린더 안에서 연료를 태우는 내연기관과 구분된다.

원리는 다음 네 단계로 풀어 쓸 수 있다.

• 변위기가 작동가스를 고온부로 옮기면 가스가 가열되어 압력이 올라가고, 그 압력이 동력 피스톤을 밀어 일을 한다.
• 변위기가 가스를 저온부로 옮기면 가스가 냉각되어 압력이 떨어지므로, 동력 피스톤은 적은 일로 가스를 다시 압축한다.
• 작동가스가 고온부와 저온부 사이를 오갈 때 재생기가 열을 임시로 저장하고 되돌려 주어, 외부에서 공급할 열과 버려지는 열을 줄인다.
• 크랭크 기구가 피스톤의 왕복 운동을 축의 회전 운동으로 바꾸며, 그 축에 저장된 에너지가 다음 행정에서 변위기와 피스톤을 움직이는 데 쓰인다.

이 원리에서 변위기와 동력 피스톤은 역할이 다르다. 변위기는 가스를 옮기는 역할만 하고 동력을 직접 내지 않으며, 동력은 가스 압력 변화를 받는 동력 피스톤에서 나온다. 두 부품의 역할을 구분해야 동력이 생기는 곳과 열이 이동하는 곳을 혼동하지 않는다.

재생기는 고온부와 저온부 사이에 놓여 작동가스가 양방향으로 통과하는 부품이다. 재생기는 열용량이 커야 하고 유동 저항이 작아야 하며, 유체 흐름에 수직인 방향의 열전도도가 높아야 한다. 재생기의 유무가 스털링 엔진을 다른 밀폐형 고온 공기 기관과 구분하는 결정적 특징이다.

이상 스털링 사이클은 등온 압축, 정적 가열, 등온 팽창, 정적 냉각의 네 과정으로 이루어진다. 재생기가 이상적으로 작동하면 이상 스털링 사이클의 이론 효율은 같은 온도 범위의 카르노 효율과 같다. 카르노 효율은 두 열원의 절대온도만으로 정해진다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$η_C = 1 − T_L / T_H$

여기서 T_H는 고온부의 절대온도(K), T_L은 저온부의 절대온도(K)이다. 실제 기관은 마찰, 열 누설, 재생기의 불완전한 열교환 때문에 이 상한보다 낮은 열효율을 보인다. 따라서 카르노 효율은 실제 효율을 계산하는 값이 아니라 설계가 넘을 수 없는 이론 기준으로 쓰이며, 성능을 평가할 때는 실제 효율을 이 상한과 비교하는 것이 기본이다.

작동가스는 공기, 수소, 헬륨이 주로 쓰인다. 공기는 구하기 쉽고 안전하지만 열전달이 상대적으로 느리다. 수소와 헬륨은 열전달이 빨라 출력과 효율 면에서 유리하지만, 수소는 가연성이므로 누설을 막는 밀봉 설계가 전제가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

스털링 엔진의 출발점은 증기기관의 한계이다. 증기기관은 높은 압력의 증기를 보일러에서 만들어야 하므로 안전 문제가 컸고, 열의 상당 부분이 배기와 함께 버려져 열 낭비도 컸다. 스털링 엔진은 작동가스를 밀봉해 쓰므로 증기기관보다 안전하다는 평가를 받았고, 재생기로 열을 회수해 열 낭비를 줄이는 방식으로 대안이 되었다.

연소 엔진과 비교해도 필요성이 드러난다. 내연기관은 실린더 안에서 연료가 폭발하며 행정을 만들기 때문에 떨림과 소음이 생기기 쉽다. 외연기관인 스털링 엔진은 열원을 엔진 밖에 두므로 폭발과 연소로 인한 불안정성이 없고, 열원 제어가 상대적으로 쉽다.